Основные типы автомобильных двигателей.

Определение массы выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферу

Методические указания

для лабораторных занятий

по дисциплине «Промышленная экология»

для студентов специальностей ООС, БТП, МХП

по дисциплине «Экология»

для студентов специальностей ЭАТ, АТХ, МСО, СТЭ, ОБД

всех форм обучения

Тюмень, 2008

Утверждено редакционно-издательским советом

ГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Определение массы выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферу: Методические указания для лабораторной работы по дисциплине «Промышленная экология» для студентов для студентов специальностей ООС, БТП, МХП; по дисциплине «Экология» для студентов специальностей ЭАТ, АТХ, МСО, СТЭ, ОБД// Г. В. Старикова, А. В. Медведев, Т. Ю. Телушкина. – Тюмень: «Нефтегазовый университет», 2008 – 26 с.

© ГОУ ВПО Тюменский государственный нефтегазовый университет

2008 г.

Определение массы выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферу

Цель работы:

1. Изучить влияние выбросов автотранспорта на человека и окружающую среду.

2. Изучить методику расчета величины выбросов отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания.

ВВЕДЕНИЕ

Автомобильный транспорт относится к основным источникам загрязнения окружающей среды. Доля автотранспорта в выбросах стран Западной Европы составляет около 35%. В Москве загрязнения автомобильными выхлопами составляет 88 %, Тюмени – 80 %, Санкт-Петербурге – 71 %.

В мире действуют три основных стандарта, предъявляемые к производителям автотранспортных средств, по которым измеряются предельно допустимые выбросы (ПДВ) автомобиля: европейский, американский и наиболее жесткий японский стандарт. Российский стандарт требований к экологичности выпускаемых автомобилей отстает от мировых на 15 лет. На автомобили, находящиеся в эксплуатации, в нашей стране действуют государственные стандарты:

ГОСТ 17.2.2.03-87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения окиси углерода и углеводородов в отработавших газах с бензиновыми двигателями. Требования безопасности».

ГОСТ 17.2.2.01-84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений».

Несоответствие транспортных средств экологическим требованиям, при продолжающемся увеличении транспортных потоков и плохих дорожных условиях, приводит к постоянно возрастающему загрязнения атмосферного воздуха, почв и водных объектов. Уровни загрязнения вредными веществами на большинстве автомагистралей превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в несколько раз. Для полного сгорания 1 кг горючего теоретически требуется около 15 кг воздуха. Продуктами сгорания являются около 200 различных компонентов, наиболее вредными из которых являются: оксиды азота, оксид углерода, не полностью сгоревшие углеводороды различного строения, твердые частицы, соединения свинца, серы, альдегиды, бенз(а)пирен, сажа и др. Большое разнообразие вредных компонентов в отработанных газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) разных марок сильно усложняет оценку их экологической опасности.

Качество покрытий дорог тоже играет свою роль в количестве загрязняющих веществ. Резиновая пыль и пыль с дорожного полотна содержит вредные вещества, попадающие в почву и атмосферу. Ежегодно с колес одного автомобиля стирается до 10 кг резины, а с асфальтовых покрытий дорог – слой в 1 мм. Это значит, что на шоссе шириной 10 м на каждом отрезке в 100 км образуется за год около 100 т пыли.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основные типы автомобильных двигателей.

На современных автомобилях в настоящее время преимущественно используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В процессе сгорания топлива происходит выделение теплоты и превращение ее в механическую работу в цилиндрах двигателя. Использование энергии топлива при сгорании ДВС недостаточно эффективно. Всего лишь 12% энергии топлива используется на движение автомобиля. Остальная часть относится к потерям (система охлаждения, трение в двигателе, отработавшие газы и др.). По способу смесеобразования двигатели делят на двигатели с внутренним (дизели) и внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые).

В карбюраторных двигателях горючая смесь подготавливается вне цилиндров (в карбюраторе) и воспламеняется электрической искровой свечой при сжимании топлива в цилиндре двигателя.

В бензиновых двигателях источником вредных выбросов являются отработавшие газы (ОГ), картерные газы (КГ) и испарения топлива из системы питания. Оксид углерода и углеводороды в ОГ являются продуктами несовершенного процесса сгорания бензина в цилиндрах двигателя. Образование СО и С_nН_m зависит от состава смеси. Их снижение достигается обеднением смеси (действительное количество воздуха, участвующего в процессе сгорания, должно быть больше теоретически необходимого, т.е. коэффициент избытка воздуха α > 1) и стабилизацией ее воспламенения. С другой стороны, максимальная мощность и бесперебойная работа карбюраторного двигателя достигается при α = 0,8-0,95 (обогащенная смесь). Встает вопрос компромиссного решения регулировки работы двигателя.

При работе на холостом ходу и минимальной частоте вращения карбюраторного двигателя содержание в выбросах СО и С_nН_m возрастает. Азот в нормальных условиях является инертным газом. Но при высоких температурах (выше 1800 ^оС) и наличии избыточного кислорода азот вступает в реакцию с образованием NO и NO₂. Максимальное количество оксидов азота образуется при высоких частотах вращения. При малых нагрузках и холостом ходе их количество резко сокращается.

В дизельных двигателях мелкораспыленное дизельное топливо впрыскивается в цилиндры и самовоспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха. При работе дизельного двигателя основным загрязнителем окружающей среды является выделение сажи (дымный выхлоп). Сажа состоит из кристаллов графита, формирующиеся в частицы неправильной сферической формы с линейными размерами 0,3 – 100 мкм. На этих частицах сажи адсорбируются канцерогенные полициклические углеводороды (ПАУ), что и определяет токсичность ОГ дизелей.

Наибольшая мощность дизельного двигателя достигается при α = 1,2 - 1,4 (обедненная и переобедненная), когда на 1 кг дизельного топлива подается 18-24 кг воздуха. На 1 кг дизельного топлива может приходиться до 100 кг воздуха, в этом заключается одно из преимуществ дизельного топлива. Концентрации СО и С_nН_m в ОГ наиболее высоки при полной нагрузке двигателя.

Нежелательным компонентом дизельного топлива является сера. Около 20 % серы, содержащейся в топливе окисляется до SО₂, которая соединяясь с водой образует кислоту и способствует износу двигателя, а соединения серы, выбрасываемые с отработавшими газами, отрицательно воздействуют на живые организмы. Улучшить качество дизельного топлива можно с помощью присадок, повышающих цетановое число, ингибирующих коррозию и понижающих содержание дыма.

Таким образом, бензиновые и дизельные двигатели имеют различия в образовании токсичных веществ (см. табл. 1).

Виды топлив для ДВС

Бензины являются топливом для карбюраторных двигателей. Для обеспечения надежной работы двигателя бензины должны обладать определенными свойствами, чтобы удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать образование однородной топливно-воздушной смеси;

- сгорать в двигателе без детонации при различных режимах работы;

- не приводить к образованию отложений в топливной системе двигателя и нагарообразованию в камере сгорания;

-хорошей совместимостью с материалами (низкой коррозионной агрессивностью);

-хорошей прокачиваемостью, обеспечивающей бесперебойную подачу топлива в двигатель.

Испаряемость бензинов оценивается по фракционному составу. Эксплуатационные свойства бензинов зависят от соотношения легких и высококипящих фракций углеводородов в топливе. Легкие фракции углеводородов оказывают влияние на запуск двигателя и образование паровых пробок в топливоподающей системе (оценивается по температуре начала кипения t_н.к.). Высококипящие (трудно испаряющиеся) фракции определяют полноту испарения бензина через показатель температуры конца кипения t_к.к.

Детонационная стойкость характеризует способность бензина сгорать в цилиндрах двигателя без возникновения детонации. Детонация- процесс очень быстрого завершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси и образования ударных волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью (2000-2500 м/с). Процесс сопровождается повышением температуры и давления, резким металлическим звуком и падением мощности, что приводит к перегреву двигателя, дымности отработавших газов, прогару поршней. Склонность к детонации зависит от углеводородного состава, конструктивных и эксплуатационных факторов.

Детонационную стойкость бензинов определяется его октановым числом.

Октановое число (ОЧ) – показатель численно равный содержанию (в % об.) изооктана (С₈Н₁₈) в смеси его с н-гептаном (С₇Н₁₆), которая эквивалентна испытываемому бензину. Так, бензин с октановым числом 92 эквивалентен смеси, состоящей из 92 % (об.) изооктана и 8 % (об.) н-гептана. Детонационная стойкость изооктана принимается за 100, а н-гептана принимается за 0.

Многие бензины не удовлетворяют требованиям по детонационной стойкости, поэтому широко используют антидетонаторы и высокооктановые компоненты, которые добавляют в количестве 5-30 %.

В нашей стране в качестве антидетонаторов чаще всего применяли тетраэтилсвинец (ТЭС) – Рb(С₂Н₅)₄ и тетраметилсвинец – Рb(СН₃)₄ .

Свинцовые антидетонаторы очень ядовиты и поэтому повышают токсичность отработавших газов, т.к. содержат соединения свинца в виде окислов, хлоридов и бромидов, которые, попадая через дыхательные пути и кожу, поражают центральную нервную систему и кроветворные органы. При пробеге автомобиля 10000 км выбрасывается около 370 г свинца. В последние годы идет реконструкция нефтеперерабатывающих предприятий для выпуска экологически чистых бензинов (свинцовосодержащие антидетонаторы заменяются добавками на основе кислородосодержащих соединений: н-метиланилина и металло-органических соединений марганца и железа; метилтретичнобутиловый эфир - МТБЭ; фетерол и др.).

Химическая стабильность бензина – это способность сохранять без изменений свой химический состав. Из-за недостаточной химической стабильности происходит окисление и осмоление бензинов, вследствие чего происходят отложения. Для улучшения данного свойства добавляют ингибиторы (антиокислительные присадки).

Прокачиваемость определяется температурой застывания и вязкостью бензинового топлива. Автомобильные бензины имеют температуру застывания -60 ^оС и ниже, т.е. хорошо прокачиваются при низких температурах.

Антикоррозионные свойства определяются наличием серы, неорганических водорастворимых кислот и щелочей. Свободная (элементарная) сера в топливе вызывает коррозию медных сплавов. Органические соединения серы (меркаптаны – С_nН_mSН) – тяжелые жидкости с резким неприятным запахом образуют с цветными металлами слизистые осадки. Неорганические водорастворимые кислоты и щелочи в присутствии воды становятся электролитами, обуславливающими электро-химическую коррозию металлов.

Дизельное топливо. Основные требования, предъявляемые к дизельному топливу:

фракционный состав, определяющий полноту сгорания и токсичность отработавших газов;

воспламеняемость, определяющая мощностные и экономические показатели работы двигателя;

вязкость и плотность, от которых зависит прокачиваемость, распы-ляемость, смесеобразование;

наличие сернистых соединений.

Фракционный состав является одним из важных показателей качеств топлива. Большое содержание легких фракций углеводородов приводит к чрезмерным повышениям давления, нехватка осложняет запуск двигателя. Топливо со слишком тяжелым фракционным составом ведет к неполному сгоранию—дымлению, усилению нагарообразования.

Основной показатель воспламеняемости дизельного топлива – цетановое число(ЦЧ). Оно определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса, расход топлива и дымность отработавших газов.

ЦЧ топлива численно равно процентному содержанию цетана (гексодекана) (С₁₆Н₃₄) в его смеси с α-метилнафталином (С₁₀Н₇СН₃), которая по характеру самовоспламеняемости равноценна испытуемому топливу.

Самовоспламеняемость цетана принята условно за 100, а ароматического углеводорода α-метилнафталина – за 0.

Вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле. Низкая плотность и вязкость обеспечивает лучшее распыление топлива, что улучшает сгорание.

Поиск по сайту: